预分解系统内流动、燃烧与分解的研究及数值模拟

论文摘要

随着我国基础建设的高速发展，水泥产量和消耗量连续几年来以惊人的速度增长。到2005年，水泥产量达到10.64亿吨，约占世界总产量的1／2。在新型干法水泥生产工艺中，预分解窑已成为水泥烧成的主要设备，其中预分解系统占有很重要的地位，其占水泥熟料生产总能耗的60％-80％。预分解系统性能的优劣、燃料的燃烧和水泥生料的分解关系到水泥熟料生产过程中资源消耗、热耗、环境污染等重要问题，是涉及我国水泥及相关行业可持续发展的重大问题。因此，对新型干法水泥核心设备—预分解系统内流场、燃烧及分解等相关问题进行系统研究与分析已成为水泥工业领域中的重要研究课题之一。 本论文依托国家高技术研究发展计划（863计划）项目——低环境负荷型水泥及胶凝材料关键制备技术（项目编号：2002AA335050）。围绕预分解系统内流动、煤粉（替代燃料）的燃烧和水泥生料的分解及其耦合关系，进行了大量的实验分析、数值模拟和理论研究，提出了高效低环境负荷预分解系统设计和改造的优化方法、劣质燃料催化燃烧理论及技术和水泥生料分解节能关键技术。主要成果与创新之处如下： 1．提出了基于计算流体力学技术的预分解系统优化设计方法，利用Fluent软件分析预分解系统内冷态流场的分布情况，研究结构参数（柱体高度、中部缩口）和工况条件（旋流风、喷腾风）对预分解系统内冷态流场的影响规律，将得到的结果与水泥生产线实际结果进行比较，进一步验证了基于计算流体力学技术的预分解系统优化设计方法的有效性。同时，根据大量的数值结果分析建立预分解系统内流动模型。 2．以着火温度、着火和燃尽指数为评价指标分析了高灰分煤粉燃烧特性，针对高灰分煤的燃烧特点，建立基于新型干法水泥生产工艺的高灰分煤催化燃烧理论和技术体系，采用热重分析法研究分析了碱金属盐、金属氧化物和碳酸盐对高灰分煤燃烧特性的影响规律；探讨了催化燃烧对煤粉燃烧动力学的影响，分析了煤粉着火和活化能间的关系；结合燃烧动力学和煤粉燃烧过程残余物的微细观结构、物相组成等方面研究其催化燃烧机理。并采用氧传递、电子转移学说对其进行了解释。 3．利用热重分析法研究了废轮胎胶粉的燃烧特性，探讨了胶粉的基本特性与燃烧过程。分析了升温速率和煤粉、胶粉混合比例对燃料燃烧特性的影响规律，探讨了煤粉与胶粉混合燃烧的作用机理。通过分析认为，在废旧轮胎胶粉和煤粉的混合物燃烧

论文目录

• 摘 要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题
• 1.2.1 国内外预分解系统的发展与数值模拟现状
• 1.2.2 劣质煤与废轮胎衍生燃料（TDF）燃烧特性及应用
• 1.2.3 水泥生料的分解特性与机理
• 1.2.4 存在的主要问题
• 1.3 研究目的、研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 第2章 预分解系统内冷态流场的数值模拟及优化设计
• 2.1 引言
• 2.2 GAMBIT软件下分解炉的建模
• 2.2.1 分解炉的建模
• 2.2.2 网格划分
• 2.2.3 定义边界
• 2.3 不同湍流模型及其模拟计算
• 2.3.1 气相湍流流动模型
• 2.3.2 数值计算方法
• 2.3.3 不同湍流模型在喷旋分解炉流场模拟的应用和比较
• 2.4 喷腾分解炉内空气动力特性的数值模拟
• 2.4.1 数学模型的建立
• 2.4.2 冷态流场与流动特性
• 2.4.3 喷腾型分解炉内流动模型
• 2.5 基于 CFD技术的喷腾分解炉结构优化设计
• 2.5.1 模拟工况
• 2.5.2 喷腾型分解炉内流场特性分析
• 2.5.3 旋流风对分解炉内的流场影响
• 2.5.4 柱体的高度对分解炉内的流场影响
• 2.5.5 中部缩口对分解炉内的流场影响
• 2.6 喷旋结合型分解炉内空气动力场的冷态模拟
• 2.6.1 模拟工况
• 2.6.2 数学模型的建立
• 2.6.3 边界条件
• 2.6.4 网格划分
• 2.6.5 分解炉内流动特性的冷态分析
• 2.7 旋流-双喷腾分解炉内流场的冷态模拟及优化设计
• 2.7.1 模拟工况
• 2.7.2 旋流-双喷腾分解炉内流场分析
• 2.7.3 旋流-双喷腾分解炉结构和工况优化设计
• 2.8 不同类型预分解系统内流动特性分析
• 2.8.1 模拟工况
• 2.8.2 流场特征与分析
• 2.9 本章小结
• 第3章 水泥工业高灰分煤催化燃烧特性及机理
• 3.1 原材料与试验方法
• 3.1.1 煤粉的采集与制备
• 3.1.2 催化剂的选择
• 3.1.3 煤粉燃烧试验
• 3.2 高灰分煤的燃烧特性及其催化燃烧
• 3.2.1 碱金属盐对高灰分煤粉燃烧的催化作用
• 3.2.2 金属氧化物对煤粉燃烧催化的作用
• 3.2.3 碳酸盐对煤粉燃烧催化作用
• 3.3 煤催化燃烧动力学特性分析
• 3.3.1 燃烧动力学研究方法
• 3.3.2 催化剂对高灰分煤燃烧动力学参数的影响
• 3.4 催化燃烧的 SEM和 XRD分析
• 3.5 催化燃烧机理探讨
• 3.6 本章小结
• 第4章 废轮胎胶粉燃烧特性的热重分析
• 4.1 引言
• 4.2 原材料与试验方法
• 4.3 胶粉燃烧特性的热重分析
• 4.3.1 胶粉的基本特性
• 4.3.2 升温速率对胶粉燃烧的影响
• 4.4 胶粉与煤混合燃烧特性
• 4.4.1 胶粉与煤粉混合燃烧特性的热重分析
• 4.4.2 胶粉与煤粉混合燃烧着火特性
• 4.4.3 胶粉与煤粉混合燃烧燃尽特性
• 4.4.4 胶粉与煤混烧的作用机理
• 4.5 本章小结
• 第5章 预分解系统内水泥生料的分解特性
• 5.1 水泥生料分解特性实验研究
• 5.1.1 水泥生料分解特性
• 5.1.2 水泥生料热分解机理及动力学研究
• 5.2 外加剂水泥生料热分解特性的影响
• 5.2.1 有机酸对碳酸钙分解的影响
• 5.2.2 金属氧化物对碳酸钙热分解的影响
• 5.3 煤粉燃烧与水泥生料分解的耦合作用分析
• 5.3.1 水泥生料对煤粉燃烧特性的影响
• 5.3.2 煤粉催化燃烧对水泥生料分解特性的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 预分解系统内煤粉燃烧与碳酸钙分解的数值模拟
• 6.1 预分解系统内煤粉燃烧过程的数值模拟
• 6.1.1 模拟对象
• 6.1.2 数值模拟基础与方法
• 6.1.3 数值模拟结果与分析
• 6.2 预分解系统内煤粉燃烧与碳酸钙分解的耦合模拟
• 6.2.1 数值计算原理
• 6.2.2 喷旋分解炉内煤粉燃烧与碳酸钙分解的数值模拟
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录 A 攻读博士学位期间获奖与科研工作情况
• 附录 B 攻读博士学位期间发表的论文和专利
• 致谢